DE102004007376A1 - Laufwerk für Schienenfahrzeuge mit verstellbaren Radsätzen - Google Patents

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61FRAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/44Adjustment controlled by movements of vehicle body

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufwerk, insbesondere ein Drehgestell, für Schienenfahrzeuge mit verstellbaren Radsätzen. DOLLAR A Durch entsprechend angeordnete, schräggestellte Achslenker und axiale Beweglichkeit des Radsatzes, der optional durch hydraulische Elemente gedämpft wird, lässt sich die gewünschte Radialeinstellung in Kurven erreichen. DOLLAR A Mit dieser radialen Verstellbarkeit kann der Radverschleiß im Betrieb reduziert werden, wobei die kontruktive Lösung einen relativ geringen zusätzlichen Bau- und Unterhaltsaufwand bedingt. DOLLAR A Die hydraulischen Elemente lassen sich so gestalten, dass eine gegenseitige Lenkung der Radsätze ermöglicht wird. Damit wird erreicht, dass sich die Kräfte, die auf die Gleise übertragen werden, gleichmäßiger über alle Räder verteilen. DOLLAR A Weitere vorteilhafte Ausführungen mit externer Steuerung sind möglich. DOLLAR A Es können für die Konstruktion Komponenten verwendet werden, die im Bahnbetrieb üblich und bewährt sind.

Description

  • Gegenstand
  • Speziell in engen Gleisbögen treten bei Schienenfahrzeugen große Kräfte zwischen Rad und Schiene auf, die hohen Verschleiß an beiden verursachen und weitere negative Auswirkungen zur Folge haben.
  • In der einschlägigen Literatur sind diese Vorgänge und ihre Ursachen im Detail beschrieben, ebenso wie eine Auswahl von konstruktive Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen. Eine der Maßnahmen ist es, die Radsätze von Laufwerken bzw. deren Anlenkung so zu gestalten, dass sie sich dem Kurvenverlauf anpassen. Das bedeutet, dass sie sich im Betrieb radial so einstellen müssen, dass ihre Achsen zur Tangente des Gleisbogens, den sie gerade befahren, möglichst einen rechten Winkel bilden, so dass ihre Räder genau in Richtung dieses Gleisbogens rollen.
  • Im Schienenfahrzeugbau sind Laufwerke mit zwei oder mehr Achsen üblich. Meist sind diese in zwei oder drei Drehgestellen pro Fahrzeug angeordnet. Die Drehgestelle sind wiederum mit zwei oder oder drei Radsätzen bestückt. Vierachsige Triebfahrzeuge sind in der Regel mit zwei Drehgestellen und letztere wiederum mit je zwei Achsen ausgestattet.
  • Bei Sechsachsern überwiegt die Ausführung mit zwei dreiachsigen Drehgestellen; in einigen Ländern, speziell denen, in denen die elektrische Versorgung mit Gleichstrom erfolgt, entscheidet man sich hier auch für den Einsatz von Loks mit drei zweiachsigen Drehgestellen. Dies ist möglich, weil dann wegen des Entfalls eines Trafos genügend Platz für den Einbau eines weiteren Drehgestells vorhanden ist.
  • Die Radsätze in der einfachsten Ausführung sind starr entweder am Fahrzeug- direkt oder am Drehgestellrahmen angelenkt. Diese starre Anordnung macht bei geradem Verlauf der Gleise keine Probleme, sie bewirkt sogar ein gutes, d. h. stabiles Laufverhalten. In Gleisbögen, speziell mit engen Radien, kommt es jedoch zu den oben angesprochenen Problemen.
  • Bauarten:
  • Die übliche und kostengünstigste Lösung ist die der gerade beschriebenen starren Radsatzführung. Diese Ausführung ist für den Betrieb auf gerade verlaufendem Gleis hin optimiert. Man nimmt die beschriebenen Nachteile beim Betrieb in engen Bögen in Kauf.
  • Für Eisenbahnnetze speziell in gebirgigen Ländern, mit einem großen Anteil an engen Gleisbögen, ist jedoch ein gewisser Zusatzaufwand für Fahrwerke gerechtfertigt, um gute Laufeigenschaften auch in Kurven zu ermöglichen.
  • Bekannte konstruktive Lösungen hierfür, die auch in größeren Stückzahlen gebaut wurden, sind in der einschlägigen Literatur beschrieben. Man unterscheidet im wesentlichen folgende Prinzipien:
    • a) „elastische" Radsatzführung, d.h. die Anlenkung der Radsätze an das Fahrzeug, bzw. an das Drehgestell wird durch entsprechende Maßnahmen etwas „weicher" gestaltet. Dies mildert zwar die Probleme in Kurven, setzt aber die Stabilität im Geradeauslauf, insbesondere bei höheren Geschwindigkeit und und Radsätzen mit höherer Konizität der Laufflächen herab, denn der Energiegehalt des hier auftretenden „Sinuslaufs" steigt mit zunehmender Geschwindigkeit stark an, so dass lauftechnische Grenzwerte erreicht oder überschritten werden können.
    • b) „gesteuerte" Radsätze: – „Einstellung" der Radsätze eines Drehgestells in Abhängigkeit des Ausdrehwinkels zwischen letzterem und dem Wagenkasten durch einen geeigneten Mechanismus – „gegenseitige" Ausdrehung der Radsätze eines Drehgestells über geeignete mechanische Vorrichtungen
  • Nachteilig bei den unter b) erwähnten Lösungen sind der relativ hohe Aufwand für die erforderlichen mechanischen Zusatzeinrichtungen. Hinzu kommt der für deren Unterbringung erforderliche Platzbedarf und das nicht unerhebliche Zusatzgewicht. Darüber hinaus bedingt die einwandfreie Funktion eine präzise Einstellung und sorgfältige Wartung, was die Verfügbarkeit des Fahrzeugs mindern kann.
  • Bei Fahrzeugen mit hohen Maximalgeschwindigkeiten kann es aus den bereits genannten Gründen im oberen Geschwindigkeitsbereich zu Laufinstabilitäten kommen.
  • Anforderungen:
  • Die Anforderungen an eine verbesserte konstruktive Lösung für radial einstellbare Laufwerke wären demnach im wesentlichen folgende:
    • – möglichst geringer Zusatzbauaufwand gegenüber einer starren Radsatzführung
    • – einwandfreie Funktion über einen großen Geschwindigkeitsbereich, ohne Beeinträchtigung der Betriebssicherheit
    • – einfache Einstellung, möglichst wenig Wartungsaufwand
    • – möglichst geringes Zusatzgewicht, geringer Platzbedarf
    außerdem wünschenswert:
    • – Nachrüstbarkeit bei vorhandenen Altanlagen
  • Vorschlag für eine neue konstruktive Lösung:
  • Hierfür wird vorgeschlagen, die zur Lenkung erforderlichen Bewegungen und Kräfte, statt wie bei den bislang bekannten Lösungen mit mechanischen Elementen, nun mittels hydraulischer Bauteile zu übertragen. Aufbau und Funktionsweise sind nachstehend beschrieben und den beigefügten Anlagen B1 und B2 zu entnehmen.
  • Aufbau:
  • Anlage B1 stellt gemäß dem Anspruch 5 oder 6 den prinzipiellen Aufbau am Beispiel zweier Radsätze (1 und 2) dar, die einen Gleisbogen befahren und sich hierbei gegenseitig auslenken. Sie sind durch schräggestellte Achs- oder auch Radsatzlenker (3, 4, 5, 6) mit dem Fahrzeug oder dem Drehgestell verbunden. Die Kammern der Hydraulikzylinder (7,8,9,10), sind über Hydraulikleitungen (11,12,13,14) und hydraulische Drosseln (1114) miteinander verbunden. Die Primärfedern (1522) hier waagerecht liegend dargestellt, stehen senkrecht auf den Achslagergehäusen (2326) und stützen die Radsätze gegenüber dem Fahrzeugkasten oder dem Drehgestellrahmen ab.
  • Wirkungsweise:
  • Befährt das betreffende Fahrzeug oder das Drehgestell einen Gleisbogen, so drückt die Fliehkraft den Fahrzeugkasten oder den Drehgestellrahmen gegenüber den Radsätzen gegen die Rückstellkräfte der Primärfedern in Richtung Außenseite dieses Gleisbogens. Dadurch stellen sich die auf der Bogenaußenseite liegenden Radsatz-, bzw. Achslenker auf, während bei den bogeninneren das Gegenteil der Fall ist. Infolgedessen vergrößert sich bogenaußenseitig der Abstand der beiden Radsätze zueinander während er sich auf der Bogeninnenseite verringert.
  • Die Hydraulikzylinder bewirken zum einen die gewünschte gegenseitige Steuerung der Radsätze; zum anderen sorgt der damit verbundene Austausch von Hydraulikflüssigkeit über die Drosseln dafür, dass diese Bewegungen gedämpft werden und Kurzzeiteffekte, z. B. durch Gleisstörstellen, nicht sofortige unerwünschte Lenkbewegungen der Radsätze zur Folge haben. Des weiteren wird dadurch, dass damit Energie des „Sinuslaufs" auf die Dämpfer übertragen wird, die Gefahr eines Auftretens der eingangs beschriebenen Instabilitäten bei höheren Geschwindigkeiten vermindert, bzw. ganz unterbunden.
  • Fährt das Fahrzeug wieder in einen Abschnitt mit geradem Gleis hinein, dann stellen durch die Rückstellkräfte der Primärfedern sich die Radsätze wieder in den Ursprungszustand zurück und die Achslenker und die Hydraulikzylinder kehren in ihre Ausgangslage zurück (siehe Anlage B2).
  • Durch ihre Koppelung ist bei zwei Paaren Lenker/Hydraulikzylinder pro Radsatz das System redundant, d. h. bei Ausfall eines Hydraulikkreises durch Druckabfall infolge einer Undichtigkeit wirkt der andere Kreis weiter. Lediglich die vorgenannte Dämpfungswirkung ist hierbei herabgesetzt.
  • In einer weiteren Ausführung sind, gemäß Anspruch 7, die hydraulischen Drosseln so ausgeführt, dass ihre Dämpfungswirkung über geeignete Steuerungselemente eingestellt werden. So kann z. B. diese in Abhängigkeit von der gefahrenen Geschwindigkeit verändert werden.
  • Eine weitere konstruktive Lösung besteht gemäß Anspruch 3 darin, die Einstellung der Hydraulikzylinder und damit die Radialstellung der Radsätze über aktiv geregelte Dosierelemente, wie Pumpen, vorzunehmen. Damit lässt sich eine wesentlich exaktere Einstellung in Abhängigkeit von messtechnisch erfassbaren Regelgrößen wie dem Ausdrehwinkel der Drehgestelle gegenüber dem Fahrzeug, von Positionsdaten des Fahrzeugs, u. dgl. vornehmen.
  • In einer weiteren konstruktiven Gestaltung werden gemäß Anspruch 2 statt der in den Anlagen B1 und B2 dargestellten Hydraulikzylinder einfache Dämpfer eingesetzt. Vorteil dieser vereinfachten Lösung ist die Möglichkeit der Verwendung von im Bahnbetrieb üblichen Bauteilen. Hierbei sind keine zusätzlichen Hydraulikleitungen und Drosseln erforderlich. Die gegenseitige Beeinflussung der Radsätze entfällt.
  • Vorteile der beschriebenen Ausführungen:
    • 1) Geringer Bauaufwand gegenüber den derzeit eingesetzten Lösungen
    • 2) Geringes Zusatzgewicht
    • 3) Verwendung weitestgehend bahnbewährter, verschleißarmer Bauteiles
    • 4) Lösungen mit externem Steuerungseingriff möglich
    • 5) Besonders vorteilhaft ist diese Lösung bei Fahrwerken bzw. Drehgestellen mit großem Radstand, bzw. Abstand zwischen der ersten und der letzten Achse bei mehr als zwei Achsen.
  • Literatur:
    • [1] Huber, B. H.: Laufwerke neuester Generation mit aktiver Neigetechnik – Auszug
    • [2] Cortesi A.: Trends in Rail Vehicle Design – SLM Radial Bogies – Auszug
    • [3] Wagner R.: Drehstromantriebstechnik für Diesellokomotiven in Nordamerika – Auszug
    • [4] Gerber M., Drabek E., Müller R.: Die Lokomotiven 2000 – Serie 460 – der Schweizerischen Bundesbahnen – Auszug

Claims (7)

  1. Laufwerk, insbesondere Drehgestell für ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem radial einstellbaren Radsatz, der über seine zugehörigen Achslagergehäuse durch Radsatzlenker horizontal mit dem ihn aufnehmenden Rahmen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer dieser Lenker des Radsatzes in der Draufsicht schräg zur Längsachse des Fahrzeugs angeordnet ist.
  2. Laufwerk, insbesondere Drehgestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem seiner radial einstellbaren Radsätze und dem sie aufnehmenden Rahmen mindestens ein hydraulischer Dämpfer in horizontaler Lage angeordnet ist.
  3. Laufwerk, insbesondere Drehgestell nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem seiner radial einstellbaren Radsätze und dem sie aufnehmenden Rahmen mindestens ein mit jeweils mindestens einer Vorrichtung für eine externe Ansteuerung versehener Hydraulikzylinder, in horizontaler Lage angeordnet ist.
  4. Laufwerk, insbesondere Drehgestell nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens zwei radial gesteuerten Radsätzen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem seiner radial gesteuerten Radsätze und dem sie aufnehmenden Rahmen mindestens ein Hydraulikzylinder pro Radsatz in horizontaler Lage angeordnet ist, wobei die Druckräume eines jeden, einem Radsatz zugeordneten Hydraulikzylinders über Hydraulikleitungen mit denen mindestens eines Hydraulikzylinders eines anderen Radsatzes verbunden sind.
  5. Laufwerk, insbesondere Drehgestell nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hydraulikleitungen Dämpfungsdrosseln eingebaut sind.
  6. Laufwerk, insbesondere Drehgestell nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsdrosseln verstellbar sind.
  7. Laufwerk, insbesondere Drehgestell nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellelemente mit einer Vorrichtung für eine externe Steuerung versehen sind.
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